鈦合金深孔薄壁件加工方法研究

姜忠平，姜忠林，丁李杰

（中航工業航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

鈦合金深孔薄壁件加工方法研究

姜忠平，姜忠林，丁李杰

（中航工業航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

本文詳細闡述了鈦合金深孔薄壁件加工過程中的加工要點。鈦合金屬于難加工材料，若是深孔薄壁件，具備較大的長徑比，便會使得機械加工難度增大。此類零件除要解決設備、工裝、夾具之外，還需掌握機械加工的技巧、刀具角度的設計、刃磨以及刀具材料的選擇。

鈦合金；深孔；薄壁件；超精加工；外形加工

1 零件加工難點

零件材料為鈦合金TC4，屬于難加工材料，在加工過程中，主要有以下難點：

（1）TC4鈦合金材料具有α和β雙向組織，其特點是具有較高的常溫及高溫強度，塑性及韌性良好，熱處理強化后機械加工更困難；

（2）導熱性差。鈦合金導熱系數特別小，僅為45#鋼的1/6～1/7，鋁的1/14，而且密度低，比熱小，切削時熱量集中在切削刃附近，刃區溫度極高，刀具磨損迅速；

（3）鈦合金TC4材料與刀具材料的化學親和力大，由于刀具切削溫度高等原因，使切削時粘刀現象嚴重，在切削過程中會導致粘結磨損及擴散磨損嚴重；

（4）鈦合金彈性模量小，約為45#鋼的1/2，故后刀面處的工件彈性恢復大，摩擦嚴重，同時，工件也容易發生裝夾變形，切削變形系數接近于1，因此切削在前刀面滑動摩擦路程大大增加，加速刀具磨損；

（5）鈦合金TC4材料化學活性大，易產生表面變質污染層，如硬化層、脆化層等，使組織不均勻，嚴重磨損刀具，產生缺口、崩刃、剝落；

（6）由于刀具與切削的接觸長度短，使單位接觸面積上的切削力大大增加，容易崩刀；

（7）熱處理狀態為σb≥1050MPa；

（8）該零件長1020mm，內孔為Φ30mm，內孔表面粗糙度Ra=0.08，外形為多臺階、溝槽、螺紋，最薄處為2.5mm，屬于典型的深孔薄壁件。

2 深孔加工方法

目前，加工深孔的常用方法是推鏜、推鉸。如按常規方法，按照鈦合金的特殊性能和加工特性，以及材料力學彎曲變形原理，鏜刀桿的撓曲變形將難以克服。如果刀桿撓曲變形無法控制，即深孔的尺寸精度、表面粗糙度和內孔直線度就無法保證。結合多年深孔加工經驗，采用了將推鏜、推鉸改為拉鏜、拉鉸的加工方法。

采用拉鏜、拉鉸的加工方法，使刀桿始終處于受拉狀態，刀桿在受到徑向力切削時，不會產生彎曲變形，這就保證了深孔加工的直線度。在拉鏜、拉鉸之前，工件必須車引導孔，這樣能使鏜刀順利進入工件引導孔，引導初始階段的切削。

拉鏜刀數可根據加工余量而定，一般為二至四刀，根據加工余量，分兩刀拉鏜，一刀拉鉸。第一刀拉鏜：粗鏜孔。單邊去掉余量1.5mm，通過較大切削深度去除前一道工序鉆孔時留下的表面氧化皮和硬化層；同時，對孔的直線度進行基礎較直，切削參數：v=128轉/分，s=0.15mm，流量為180L/mm。第二刀拉鏜：精鏜孔。單邊去掉余量1.25mm，通過精鏜孔對孔的直線度進行第二次精確修正較直，并提高表面粗糙度；切削參數v=128轉/分，s=0.1mm，流量為180L/mm。第三刀拉鉸：精拉鉸。單邊去掉余量0.2～0.3mm，通過精鉸孔達到了尺寸精度，并提高了內孔表面粗糙度對孔的直線度更進一步的精確較直；v=81轉/分，s=0.06mm，流量為180L/mm。

拉鏜、拉鉸后，內孔尺寸精度達到了技術要求，表面粗糙度為Ra=0.08，使用專用直線規檢測，內孔直線度可以達到0.1mm。

3 刀具材料、結構和冷卻潤滑

刀具材料應盡可能采用硬質合金刀具，并選用與鈦合金親和力較小的YG類超細顆粒硬質合金（如YG6X、YG8W、YG8、YG10H等）；拉鏜刀、拉鉸刀體為精鑄件，刀片材料為硬質合金YG8W，以銅焊接而成，YG8W硬質合金具有很高的紅硬性和耐磨性，也具有很高的抗彎強度和韌性，它適合于加工鈦合金這種難加工材料，使用YG8W硬質合金材料可明顯提高刀具的使用壽命和提高生產效率。

刀具選擇方面，拉鏜刀采用四齒均布180°對稱中心刀具。這樣在拉鏜中可使切削力均勻對稱分布，可很好的消除振動。其主要幾何參數：γo=5°，α=10°-15°，xγ=30°-45°，γε=0.5-1.0mm。

此外，刀具的前后刀面應有較高的光潔度，應不低于Ra=0.04mm。拉鉸刀采用八齒兩兩對應齒，對稱中心不均布角度刀具，這種刀具可以起著很好的消振作用，其主要幾何參數如圖1所示，其中，γo=0°-5°，α=8°-10°，導向角度=30°×5mm。

圖1 八齒拉鉸刀（圖中直線代表刀具的切削刃）

冷卻潤滑油應采用專用深孔極壓切削油。它有著較好的冷卻、清洗、潤滑作用，并具有更高的耐熱、耐壓性能，在拉鏜、拉鉸時使零件、刀具得到充分的冷卻潤滑，能有效地降低零件、刀具的溫度。

4 超精加工：珩磨

珩磨是低速磨削的一種精加工方法。工件安裝在主軸夾具中，珩磨頭由機床尾部的變速箱帶動旋轉，液壓油缸推動作往復運動，珩磨頭上的油石以一定的壓力壓在工件被加工表面上，在珩磨頭運動時從工件表面上切去極薄一層金屬。油石在工件表面上的切削軌跡是交叉而又不相重復的網紋。

珩磨過程中的徑向進給是通過珩磨頭上的油石徑向擴張來實現的，珩磨過程中，珩磨油石始終以恒定的壓力壓向孔壁，在定壓下被加工金屬的磨去量和油石的磨耗量隨磨削時間的延長而逐漸減少，而表面光潔度隨時間的延長而逐漸改善。采用定壓進給時，前階段主要是切除余量，后階段主要是提高被珩磨零件表面光潔度。

根據定壓進給的特征，本人在操作過程中同時也采用了低壓—高壓—低壓三個階段進給完成珩磨超精加工。當磨頭剛進入被加工孔時，以低壓進給接觸工件，可避免損壞珩磨頭，在磨削一定時間后即升壓（也可逐漸升壓），用高壓切除大部分余量，在磨削余量剩下很少時又降低壓力，用最后的低壓提高孔的精度及表面光潔度。經檢驗計量光潔度在Ra=0.8，珩磨的同時應保證有足夠量大的珩磨油，起到有效的流動，冷卻和清洗作用。

5 外形加工

某鈦合金零件是典型的薄壁、細長軸、多臺階、溝槽、螺紋與一身的綜合性零件。內孔加工達到了技術要求之后，對外形的加工不可忽視，因為工件的最終壁厚很薄，最薄處為2.5mm，對設備、刀具、工裝夾具都有很高的要求。本文采用的是C6150普通精密車床，刀具選用YG8硬質合金刀片，工裝采用一根同軸度、直線度很高的芯軸，配合機床附件中心架來完成的。

加工準備與合理操作：調整機床尾座與主軸等高（0.01mm），利用心軸找正圓跳動（↗0.01mm），并調整尾座與主軸的錐度，同時，采用刻線法，將臺階位置刻出，做好粗定位基準。最后，選擇合理的切削參數：v=200轉/分，s=0.142mm，最后一刀t=0.1-0.3mm；刀具選擇：90°偏刀、45°偏刀、R2.5車刀、60°尖刀，如圖2所示。

圖2 操作所需刀具

6 結束語

綜上所述，鈦合金深孔薄壁件的加工要注意：首先，選擇較高精度機床，提高機床、刀具、夾具、零件這一系統的剛性；其次，選擇如鎢鈷類硬質合金一類的對口刀具材料，刀具的形狀和幾何角度上，盡量選用多吃對稱刀具；同時，認真刃磨刀具各角度和切削刃部的光潔度；此外，注意選擇合理對應鈦合金的冷卻潤滑液，以提高刀具的使用壽命。

[1] 張新林，謝鑫. 薄壁深孔件的加工探討[J]. 機械管理開發，2007,01:70～72.

[2] 李樹俠,樸松花. 鈦合金材料的機械加工工藝綜述[J]. 飛航導彈，2007,07:57～61.

[3] 梁齊，孫麗萍，王友義，陰法軍. 深孔薄壁筒加工工藝設計[J].新技術新工藝，2010,01:19～20.

[4] 李富長，宋祖銘，楊典軍. 鈦合金加工工藝技術研究[J]. 新技術新工藝，2010,05:66～69.

[5] 陳五一，袁躍峰. 鈦合金切削加工技術研究進展[J]. 航空制造技術，2010,15:26～30.

[6] 高亞輝，王亭亭，曹家琳. 機械加工工藝危險性控制研究[J].中國安全生產科學技術，2010,05:130～136.

[7] 金和喜，魏克湘，李建明，周建宇，彭文靜. 航空用鈦合金研究進展[J]. 中國有色金屬學報，2015,02:280～292.

[8] 李健，謝雪利. 深孔薄壁筒加工工藝設計[A]. 全國省區市機械工程學會.首屆2010年全國（廣州）機械裝備先進制造技術學術交流大會論文集（河南分冊）[C].全國省區市機械工程學會，2010:3.

[9] 蔣大立，袁本節，孫嚴. 薄壁深孔加工及夾具[J]. 機械工人.冷加工，1980,02:26～29.

[10] 李良福. 幾種新型珩磨方式[J]. 機械制造，1996,11:21.

TG523

A

1671-0711（2016）10（下）-0089-02